соединительная трубка; 4-микроманометр

ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И АВТОМАТИКИ

Кафедра теплотехнических

и энергетических систем

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕЙ ПЬЕЗОМЕТРИЧЕСКОГО

ДАВЛЕНИЯ ПРИ СТРУЙНОМ И КАНАЛЬНОМ

ДВИЖЕНИИ ГАЗА

Методические указания по выполнению

лабораторной работы для студентов всех

специальностей, изучающих теплотехнические

дисциплины

Магнитогорск

Составители: Ю. И. Тартаковский

Т.П. Семенова

Исследование полей пьезометрического давления при струйном и канальном движении газа. Методические указания по выполнению лабораторной работы для студентов всех специальностей, изучающих теплотехнические дисциплины. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2011. 10 с.

Рецензент

Т.П.Семенова, 2012

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕЙ ПЬЕЗОМЕТРИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ СТРУЙНОМ И КАНАЛЬНОМ ДВИЖЕНИИ ГАЗА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Подтверждение экспериментальным путем гипотезы Грум-Гржимайло.

ИСПОЛЬЗУЕМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Микроманометр, трубка Прандтля.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

От движения газов в печах и их элементах зависят условия сжигания топлива, передача теплоты нагреваемому материалу, удаление продуктов сгорания, а иногда и протекание технологических процессов.

В данной работе исследуется движение канальное и струйное.

Струйное движение, которое осуществляется в результате динамического воздействия струй (истечение газа или жидкости из сопла), зависящее от расположения и направления горелок и форсунок, в рабочих пространствах печей более распространено, чем канальное (рис.1).

При распространении струи в камере (рабочем пространстве печи) чаще встречается случай, когда струя не успевает (рис.2) заполнить сечение камеры. Из рис.2 видно, что движущейся поток, имеющий большую кинетическую энергию, чем окружающая среда, за счет сил трения (молекулярного сцепления) увлекает окружающую среду, находящуюся вблизи сопла, что приводит к снижению пьезометрического давления в этой области – возникает всасывающий эффект струи (присоединенная масса ).

У выходного отверстия , покидает камеру, а , из-за возникновения градиента пьезометрического давления, отрывается и вновь вовлекается в движение. Возникают циркуляционные зоны, образующие замкнутые контуры.

Характер струйного движения зависит от расположения входных и выходных каналов относительно поверхности (пода печи) и от угла наклона входного сопла.

Если струя направлена параллельно поверхности, расположенной на небольшом расстоянии от оси струи, то струя приобретает свойства «дальнобойности» и «настильности» (по определению В.Е. Грум-Гржимайло). Это объясняется тем, что свободная поверхность струи соприкасается только с одной стороны с окружающей средой, вовлекающей в движение новые массы. Как следствие, кинетическая энергия струи расходуется медленнее, а максимум скорости приближается к плоскости по мере удаления от сопла (рис.3). Угол раскрытия «настильной» струи в вертикальной плоскости меньше угла раскрытия свободной струи, и составляет 15-16°, а в горизонтальной плоскости больше угла раскрытия свободной струи и достигает 30°. Струя, движущаяся параллельно плоскости, не оказывает на нее давления и пьезометрическое давление равно атмосферному. Более того, при больших скоростях движения газа вдоль поверхности, давление на эту поверхность со стороны газа может быть меньше атмосферного (жидкость в микроманометре уйдет за «ноль»).

Рис.1 Струйное (а) и канальное (б) движение газов:

1-горелка; 2- рабочая камера; 3-боров; 4-дымовая

труба; 5- проточная зона; 6-циркуляционные зоны.

Если струя направлена под углом к поверхности, то часть ее кинетической энергии расходуется на соударение с поверхностью и дальнобойность уменьшается. Струя оказывает давление на поверхность в зависимости от угла атаки (рис.4).

где - средняя скорость на срезе сопла, м/с; - плотность газа, кг/м³.

По данным В.И. Миткалинного, угол атаки определяет и угол растекания струи по поверхности в горизонтальной плоскости :

Рис.2 Струя в камере

При нагреве или плавлении материала топливосжигающие устройства (горелки, форсунки, кислородные фурмы) располагают под определенным углом к поверхности металла (7-15° в методических печах, 90° - для кислородных фурм в сталеплавильных печах) для усиления радиационно-конвективного теплообмена. Струйное движение газов в рабочем пространстве печи почти всегда неизотермическое, что обусловлено разностью температур, а следовательно, и разностью плотностей, что может влиять на движение газов и распределение давлений в рабочем пространстве.

Канальное движение осуществляется в результате изменения потенциальной энергии потока. Например, канальное движение газов в дымовой трубе за счет уменьшения геометрического давления от основания дымовой трубы к устью, канальное движение в горизонтальном газоходе (борове) за счет уменьшения пьезометрического давления по длине.

Канальное движение, как правило, изотермическое. При анализе канального изотермического движения к потоку применимы законы, справедливы для движения несжимаемой жидкости в каналах, в том числе уравнение Бернулли.

Скорость газов в различных точках сечения пространства направлена одинаково. В камере лабораторной установки при канальном движении перемещается большая масса газа, чем при струйном. Как следствие, средняя скорость движения газа уменьшается, значения скоростного давления ниже, а, по уравнению Бернулли, значения пьезометрического давления выше.

Рис.3. Настильность струи

1-сопло; 2-граница свободной струи;

3- граница настильной струи

Рис. 4. Струя, атакующая поверхность под углом

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Установка выполнена из оргстекла и представляет собой камеру I, в которую через воздуховод 2 и сопла 3 и 4 может поступать воздух, а через воздуховод 5 удаляться. Регулирование подачи воздуха и его отвода производится с помощью поворотных заслонок 6-9 и плоской заслонки 10.

Для измерения пьезометрических давлений в плоскости 11, моделирующей под печи, просверлено двадцать одно отверстие. К каждому отверстию с нижней стороны плоскости припаяны патрубки, которые посредством резиновых трубок 12 соединены с соответствующими медными трубками наборного поля 13, предназначенного для удобства измерения пьезометрических давлений.

Измерение пьезометрического давления производят путем соединения соответствующей точки наборного поля 13 с микроманометром 14 (см. рис.5); схема измерения пьезометрического давления показана на рис.6.

Рис.5. Схема установки:

1-камера; 2-подвод воздуха; 3 и 4 – верхнее и ниж- нее сопла; 5–отвод воздуха из камеры; 6,7,8,9,10–заслонки; 11-плоскость (под); 12-резиновые трубки; 13-наборное поле; 14–микроманометр.

Рис.6. Схема измерения избыточного пьезометрического давления:

1-трубопровод; 2-штуцер для отбора импульса давления;

соединительная трубка; 4-микроманометр

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с установкой.

1. Подготовить журнал по форме (см. журнал наблюдений).

2. Установить микроманометр 14 по уровню, а жидкость в трубке на «ноль». Установить значение синуса угла наклона трубки микроманометра или 0,25 и занести в журнал наблюдений.

3. Включить вентилятор (вентилятор включает лаборант или преподаватель).

4. Открыть поворотную заслонку 8 на нижнее сопло, закрыть заслонку 7, перекрыть щель заслонкой 10 и закрыть заслонку 6.

5. Измерить пьезометрические давления во всех точках поля и показания прибора () занести в журнал наблюдений в верхнюю строку вариант 1 струйного движения. В нижнюю записать истинное значение давления в системе СИ.

Рис.7. Поле пьезометрических давлений

6. Открыть поворотную заслонку 7 на верхнее сопло, а заслонку 7 перекрыть и вновь измерить пьезометрические давления и занести в журнал наблюдений.

7. Закрыть поворотные заслонки 7 и 8, поднять плоскую заслонку 10 (на 50-75 мм) на уровень, указанный преподавателем, открыть заслонку 6.

8. Измерить пьезометрические давления при канальном движении и результаты занести в журнал наблюдений.

Примечание. Если при измерении жидкость в микроманометре уходит за «ноль», следует переключить отбор давления на наклонную трубку микроманометра

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. Вычислить средние арифметические значения пьезометрических давлений по формуле

, где - число точек;

- пьезометрические давления в соответствующих точках, Н/м².

2. Построить три графика в координатах: по оси абсцисс – номера точек, по оси ординат – пьезометрические давления для 2-х вариантов струйного движения и одного варианта канального движения. Соединять отдельно точки I сечения, II-го, III-го (см.рис.7).

3. Определить коэффициент неравномерности для всех трех случаев

Результаты занести в журнал наблюдений.

4. По графикам и результатам расчетов сделать выводы. В выводах указать, при каком движении: струйном или канальном – больше коэффициент неравномерности. В каком варианте струйного движения и почему возникает большее давление на под?

ЖУРНАЛ НАБЛЮДЕНИЙ

Характер движения	Вариант подачи	Пьезометрическое давление	Номера контрольных точек	Среднее пьезомет-рическое давление	Коэфф-т неравномер-ности
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Канальное Струйное	I Подача через нижнее сопло	по прибору , мм вод. ст
истинное ,Па
II Подача через верхнее сопло	по прибору , мм вод. ст
истинное , Па
III Подача через щель	по прибору , мм вод. ст
истинное , Па

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Физический смысл избыточного пьезометрического давления и метод его измерения.

2. Каковы отличия канального движения от струйного?

3. Какое движение наблюдается в рабочем пространстве печей? В дымоходах?

4. Какие характерные зоны имеет полностью ограниченная струя?

5. Почему возникают зоны отрицательного пьезометрического давления (см. полученные результаты опыта)?

6. В каких печах рационально применять циркуляцию продуктов горения у поверхности металла, а в каких настильный факел с определенным углом атаки?

7. Что такое полностью ограниченная струя? Каковы ее закономерности?

8. Как определить давление струи на плоскость?

9. Что такое «настильность» струи?

10. В ядре факела или в циркуляционных зонах должна быть выше температура?

11. Как объяснить почти неизменность пьезометрического давления в камере установки при «канальном» движении?

12. Какой характер изменения избыточного пьезометрического давления вдоль полностью ограниченной струи?

Литература

1. Победря Б.Е., Георгиевский Д.В. Основы механики сплошной среды. - М., Физматлит, 2006 г.

2. Механика жидкости и газа под редакцией В.С. Швыдкого -

М., И.К.Ц., Академкника 2003 г.